無燃料的深空推力：3D打印太陽能熱推進器走入商業化

AM易道深度解讀

1500攝氏度。
這是包含了3D打印熱交換器的太陽能推進器在真空環境下實測能達到的工作溫度。

這個溫度本身不算新聞。

真正讓我們值得注意的是另一個數字：60年。

NASA和美國空軍從1960年代就開始研究太陽能熱推進技術，卻始終停留在紙面上。

而今年9月，這家名為Portal Space Systems的美國華盛頓州的小公司成為商業航天史上第一個成功在真空環境下測試太陽能熱推進系統的玩家。

他們的核心是：3D打印機和一個SpaceX前Raptor引擎團隊工程師。

對于3D打印行業來說，這個案例的價值遠超又一個航天零件的成功應用。

它展示的是增材制造如何讓一個被大型研究機構束之高閣60年的技術概念，在一家初創公司手里變成了現實。

這家2024年才逐步嶄露頭角的公司，已經拿到了1750萬美元融資和美國太空軍的戰略資金支持。

什么是太陽能熱推進？為什么它需要3D打印？

在講Portal的故事之前，我們需要理解這項技術本身。

太陽能熱推進的原理聽起來簡單得出奇：

用鏡子收集太陽光，聚焦加熱推進劑，高溫推進劑膨脹噴出產生推力。

Portal的系統使用可展開的鏡面聚光器將陽光聚焦到一個緊湊的接收器上，產生的熱能相當于一個小型核反應堆。

聚集的太陽能加熱一個熱電池，熱電池包裹著3D打印的熱交換器的推進器。

系統使用氨作為推進劑，這是一種可儲存的非低溫推進劑，不需要笨重的冷卻系統。

這個概念優雅，但為什么研究了60年都沒商業化?

核心難點在于熱交換器。

文中有相關圖集。

它需要同時滿足幾個極端要求：承受超過1500攝氏度的高溫，足夠輕便用于太空，還要成本可控能批量生產。

用傳統制造方法，這幾乎是不可能的三角。

3D打印改變了游戲規則。

Portal的3D打印推進器將熱交換器和噴嘴整合為單個部件，沒有內部接口或活動部件。

這種一體化設計只有增材制造能實現，它消除了連接點，減少了潛在故障點，同時優化了熱傳導路徑。

測試活動在Portal位于華盛頓州博塞爾的工廠進行，使用大功率電加熱來模擬太陽能，Flare推進器在真空條件下完成了冷流校準、高溫點火和全功率推力測試。

據公開PR信息，測試中系統達到了1500攝氏度的工作溫度，測試結果與預測相符。

一個關鍵問題：為什么是現在?

太陽能熱推進不是新概念，3D打印也已經發展了幾十年。

為什么Portal能在2025年做到NASA在1960年代做不到的事?

我們覺得，答案可能藏在Portal CEO Jeff Thornburg的履歷里。

Thornburg曾在SpaceX直接參與Raptor發動機的研發。

Raptor 3通過大量使用金屬增材制造技術將外部管路內置化，大幅簡化了引擎設計。

海平面版本的Raptor 3比Raptor 2推力增加21%，重量減輕7%。

馬斯克曾公開表示SpaceX擁有世界上最先進的3D金屬打印技術。

據公開信息，Portal的太陽能聚光器由擁有數十年經驗的分包商制造，而熱交換器則借鑒了Raptor級發動機上采用的增材制造技術。

這是將SpaceX在火箭發動機上積累的3D打印工藝經驗，應用到了一個新推進原理上。

Thornburg說自己尋找的是那些美國政府已經投入大量資金研發但被束之高閣的技術，作為小公司可以更快速地創新和迭代。

這句話道出了戰略關鍵：

許多前沿想法不是技術本身不成熟，而是需要3D打印這樣的新的制造方法來實現它。

太陽能推進器背后的商業價值

根據公開信息描述，Portal的Supernova航天器能在幾小時內從低地球軌道移動到中地球軌道，在不到一天內從中軌道到地球靜止軌道，僅需幾天就能從低軌到月地空間。

對比一下，化學推進系統能提供快速爆發但不持久，電推進系統高效但緩慢，可能需要數月才能重新定位衛星。

AM易道做了個不是特別嚴謹的對比圖：

這種太陽能推進系統機動能力在今天的太空環境中價值幾何?

Portal在2025年4月完成了1750萬美元的超額認購種子輪融資，由AlleyCorp領投。

Portal還獲得了美國太空軍的STRATFI支持，并被Via Satellite列為十大值得關注的初創公司之一。

資本和國防部門用真金白銀投票，說明快速軌道機動能力已經從錦上添花變成了戰略必需。

據公開信息，推進系統支持在軌加注，設計壽命超過5年，這意味著衛星不再是發射后就固定在某個軌道的靜態資產，而是可以根據需求動態部署的機動平臺。

三個3D打印行業啟發

Portal的案例，AM易道總結了三點核心。

第一，我們必須去找那些傳統制造做不到的設計，并且重新設計。

Portal的HEX推進器將熱交換器和噴嘴整合為沒有內部接口的單一部件，這不是用3D打印替代現有零件，而是重新設計整個系統架構。

真正的價值在于實現不可能，而不是優化已知方案。

第二，材料和工藝是核心競爭力。

SpaceX在2019年開始使用自主研發的SX300 Inconel高溫合金鑄造（非3D打印）發動機歧管，后來改進為SX500。

而SpaceX使用的Velo3D打印系統兼容銅基合金如GRCop-42等先進材料，這種材料能承受火箭發動機產生的極端高溫，同時具備較好的導熱性。

這些SpaceX過去的材料和工藝積累都將助力Portal的研發。

雖然公開信息并沒有披露Portal具體用的是什么材料，但根據AM易道的認知和相關圖片，無非離不開鎳基合金或銅基合金或者二者的組合。

以下為相關公開圖片集，內行請自行看門道：

第三，3D打印快速迭代是利器。

Portal已經完成了大型機構幾十年都沒做到的技術驗證。

Thornburg說這讓他回到了SpaceX Raptor時代，可以快速行動、快速失敗、更快速地迭代。

早期Raptor原型的許多部件都是3D打印的，包括渦輪泵和噴射器，2016年的比例開發發動機有40%(按質量計)的零件是通過3D打印制造的。

增材制造是快速驗證快速試錯的核心。

Portal計劃在2026年中期發射首次演示任務。

如果Supernova在軌道上證明了太陽能熱推進的實用性，這將是增材制造以及航天2個行業的里程碑時刻。

AM易道認為，不論Portal的太陽能推進器未來有多成功，其真正價值在于展示了一種思維：

不要只盯著現有產品的增量改進，我們得去思考增材制造能讓哪些之前不可能的事情變成可能。

當3D打印能夠制造出在1500攝氏度高溫下工作、經歷上千次熱循環仍保持性能的一體化熱交換器時，我們有理由相信：

更多被束之高閣的技術概念會被重新拿出來，用增材制造的方式實現。

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